(57)【要約】【課題】  溶液ならびにガス化した強酸やハロゲンの１０００℃×２ＭＰａ以上の高温高圧条件環境下において数１０〜１００ＭＷの大容量の熱交換に耐え、かつコンパクト化の可能な熱交換器を提供するものである。【解決手段】  濃硫酸、ヨウ化水素等の強酸又はハロゲンに強いセラミックス素材を用いることにより、熱交換媒部の円形流入チャンネルを直交に多数対置したブロックエレメントを接合積層化することにより耐食性はもとより高温強度に優れ、コンパクト化された熱交換器。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換部がセラミックスブロックから構成される熱交換器。
【請求項２】
熱交換部が、炭化ケイ素及び窒化ケイ素を素材としたセラミックスブロックから構成される熱交換器。
【請求項３】
セラミックスブロック間を接合してピラー構造とし、これを束ねることにより熱交換器部を構成する熱交換器。
【請求項４】
化学プラントにおいて、６００℃近い硫酸やヨウ化水素の腐食溶液を、高温ヘリウム、ＳＯ2及び/又はヨウ化水素ガスにより加熱してガス化できる熱交換器。
【請求項５】
最高温度１０００℃×最高圧力６ＭＰａのガスとガス化腐食溶液との熱交換が可能な耐腐食性を有する熱交換器。
【請求項６】
高温ガス炉と化学プラント間の１０００℃近い一次ヘリウム冷却材／二次ヘリウム冷却材の熱交換を可能にするコンパクト熱交換器。
【請求項７】
セラミックスブロックにそれぞれ直交するチャンネルを設けることにより熱交換器部の熱交換を可能とする熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子力産業、航空宇宙、一般産業分野、民生用として幅広く利用が可能である熱交換部がセラミックスブロックから構成される熱交換器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、１０００℃×６ＭＰａ以上の高温高圧条件下での濃硫酸溶液の蒸発、ヨウ化水素溶液の蒸発分解の行える耐食材料ならびに、そのための熱交換器は、存在しない。また、過去各セラミックスメーカーが高温熱交換器としてセラミックスブロックの熱交換器の試作を試みたが、ブロック自身の強度が不十分なためいずれもその大型化に失敗していた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、溶液ならびにガス化した強酸やハロゲンの１０００℃×６ＭＰａ以上の高温高圧条件環境下において数１０〜１００ＭＷの大容量の熱交換に耐え、かつコンパクト化の可能な熱交換器を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、濃硫酸、ヨウ化水素等の強酸又はハロゲンに強いセラミックス素材を用いることにより、熱交換媒部の円形流入チャンネルを直交に多数対置したブロックエレメントを接合積層化することにより耐食性はもとより高温強度に優れ、コンパクト化された熱交換器である。
【発明の効果】
【０００５】
本発明は、  １０００℃近い高温高圧下で耐熱耐圧性及び耐食性の優れたコンパクトな熱交換器として例えば、高温ガス炉の中間熱交換器等にも利用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明は、９５０℃の核熱を利用し水原料から大量の水素と酸素を製造できる核熱化学ＩＳプロセスの実用化を行うために必須な熱交換器である。図１に核熱化学ＩＳプロセスプラントの概念を示す。使用条件から最も厳しいのは図中硫酸蒸発器やヨウ化水素分解器である。
【０００７】
図１は、核熱化学ＩＳプロセスの概念を示す図であり、高温ガス炉から供給される８５０℃の高温熱エネルギーを水を原料に主に硫酸分解再生サイクルとヨウ化水素分解合成サイクルを組みあわせることにより、水素と酸素に分解する反応を示している。
【０００８】
即ち、ブンゼン反応器に供給されたＨ2Ｏが、高温高圧においてＨ2ＳＯ4とＨＩとの存在下で分解される。反応後のＨ2ＳＯ4、ＨＩ含有液が酸分離器に供給され，Ｈ2ＳＯ4とＨＩとの２層に分離される。ＨＩ含有溶液が精製器を経て蒸留塔に供給され、発生したＨＩ蒸気がＨＩ分解器で分解され、得られたＨ2が凝縮器から取り出される。蒸留塔の蒸留残液及び凝縮器の凝縮液が反応器に戻される。
【０００９】
又、Ｈ2ＳＯ4含有溶液が反応器から精製器を経て濃縮塔に供給され、濃縮されたＨ2ＳＯ4溶液がＨ2ＳＯ4蒸発器で蒸発処理され、その蒸気がＨ2ＳＯ4分解器でＳＯ2，Ｈ2Ｏ，
Ｏ2に分解され、これらが凝縮器を経て反応器に戻される。
【００１０】
図２は、濃硫酸蒸発器実機の設計概念を示す。その蒸発器の炉底部から上椀部に向かって濃硫酸溶液を供給し、一方、６８９℃のヘリウムガスを蒸発器上椀部横方向から導入し、蒸発器内のセラミックスブロック内の直交するチャンネルにそれぞれ導き、この部分で熱交換を行い、濃硫酸を完全にガス化できる。
【００１１】
図３は、セラミックスブロック形状及び試作したブロック本体を示す。このブロックは、図２の硫酸蒸発器の中央部に設けられた十字型多孔セクションプレートの４面に沿って積重ねられて保持され、硫酸がブロックに開けられた６又は９個の貫通孔チャンネルを通して上方向に流される。高温のヘリウムガスがブロックの側面から設けられた４個の貫通孔チャンネルを通して横方向に流され、ブロックを介して硫酸を加熱する。この両者の貫通孔は、結合しないようにブロックに形成されている。
【００１２】
図４は、複数のセラミックスブロックを積層して形成された１基分のピラー（柱）の製作方法を示しており、金属製真空容器にピラー１基分のブロックを真空封入し、外側から加熱することによりブロックを上下にろう材シートで結合して1基分のピラーを形成する。
【００１３】
図５は、セラミックスブロックを接合により積層してピラー構造とし、これをセクションプレートの４面に束ねることにより熱交換部を構成したものを示している。
図６は、セラミックスピラーを最終的に束ねかつ、ヘリウム流路を確保するためのセクションプレート及びパーティションプレートの組み立て方を示している。
【００１４】
図７は、セクションプレート及びパーティションプレートの組み立て、その中央に４個のセラミックスブロックを挿入固定したものを示している。
図８及び図９は、組み立てた熱交換部の上下にセラミックス製流量板を取り付け、それを強化リングにより固定することを示している。
【００１５】
図１０は、熱交換部の各構成要素をタイロッドで締め付けることを示している。
図１１は、タイロッドで締付けられた熱交換部の側面に内筒を取り付けることを示している。
【００１６】
図１２は、熱交換器部を収納するための圧力容器を図に示すように別途組み立てることを示している。
図１３は、図１２で組立てられた圧力容器内に熱交換器部を取り付けることを示している。
【００１７】
図１４は、耐震構造を圧力容器と熱交換器部に取り付けることを示している。
図１５は、耐震構造により圧力容器に取付けられた熱交換器部に上鏡とヘリウム入口ベローズを取り付けることを示している。
【００１８】
図１６及び図１７は、圧力容器に上部蓋とメカニカルシールを取り付けて硫酸熱交換器を完成することを示している。
【実施例】
【００１９】
（ア）セラミックス製コンパクト濃硫酸蒸発器の概念設計及び要素試作
２００ＭＷの高温ガス炉に接続できる核熱化学ＩＳプラント実機用濃硫酸蒸発器の設計仕様を表１に示す。また、図２に濃硫酸蒸発器の設計概念を示す。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
［膿硫酸蒸発器の組み立て方］
（ｉ） 図３に示すヘリウムチャンネルと濃硫酸溶液ガスチャンネルが直交したセラミックスブロックを製作する。
【００２２】
（ｉｉ） セラミックスブロックピラーの製作は、図４に示すように金属製真空容器にピラー１基分を真空封入し、外側から加熱することにより行う。
（ｉｉｉ） 図５に示すようにセラミックスブロックを接合により積層しピラー構造としたものを束ね熱交換部を構成する。
【００２３】
（ｉｖ） 一方、上記セラミックスピラーを最終的に束ねかつ、ヘリウム流路を確保するためのセクションプレート及びパーティションプレートの組み立て方を図６に示す。
（ｖ） 完成したセクションプレート及びパーティションプレート構造体にセラミックス熱交換部を図７のように取り付ける。
【００２４】
（ｖｉ） 図８及び９のように組み立てた熱交換部の上下にセラミックス製流量板を取り付け、強化リングにより取り付ける。
（ｖｉｉ） 熱交換部をタイロッドで図１０のように締め付ける。
【００２５】
（ｖｉｉｉ） さらに、図１１に示すように内筒に取り付ける。
（ｉｘ） 一方、熱交換器部を収納するための圧力容器を図１２に示すように別途組み立てる。
【００２６】
（ｘ） この圧力容器内に図１３のように熱交換器部を取り付ける。
（ｘｉ） さらに、図１４に示す耐震構造を圧力容器と熱交換器部に取り付ける。
（ｘｉｉ） 図１５のように上鏡とヘリウム入口ベローズを取り付ける。
【００２７】
（ｘｉｉｉ） 最終的に図１６及び図１７に示すような上部蓋とメカニカルシールを取り付けて完成。
（イ）濃硫酸腐食試験
表２に示す各種セラミックス及び各種耐熱合金を濃硫酸とともにガラス封入したガラスアンプルより２ＭＰａ×４６０℃×１００時間及び１０００時間の高温高圧腐食試験を図１８に示すオートクレーブにより実施した。表３、表４及び図１９に腐食試験結果を示す。これらの結果を表５にまとめた。その結果、炭化ケイ素及び窒化ケイ素に十分な耐食性があることが分かった。
【００２８】
【表２】
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【００２９】
【表３】
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【００３０】
【表４】
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【００３１】
【表５】
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【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】核熱化学ＩＳプロセスの概念を示す図である。
【図２】濃硫酸蒸発器実機の設計概念を示す図である。
【図３】セラミックスブロック形状及び試作したブロック本体を示す図である。
【図４】セラミックスピラーの製作方法を示す図である。
【図５】セラミックスブロックを接合により積層し、ピラー構造としこれを束ねることにより熱交換部を構成することを示す図である。
【図６】セラミックスピラーを最終的に束ねかつ、ヘリウム流路を確保するためのセクションプレート及びパーティションプレートの組み立て方を示す図である。
【図７】セクションプレート及びパーティションプレートの組み立て方を示す図である。
【図８】組み立てた熱交換部の上下にセラミックス製流量板を取り付けることを示す図である。
【図９】強化リングを取り付けることを示す図である。
【図１０】熱交換部をタイロッドで締め付けることを示す図である。
【図１１】内筒の取り付けを示す図である。
【図１２】熱交換器部を収納するための圧力容器を組み立てることを示す図である。
【図１３】圧力容器内に熱交換器部を取り付けることを示す図である。
【図１４】図に示す耐震構造を圧力容器と熱交換器部に取り付ける。
【図１５】上鏡とヘリウム入口ベローズを取り付けることを示す図である。
【図１６】圧力容器に上部蓋と取り付けることを示す図である。
【図１７】圧力容器にメカニカルシールを取り付けることを示す図である。
【図１８】高温高圧腐食試験に用いたオートクレーブを示す図である。
【図１９】各種セラミックス及び耐熱合金の高温高圧腐食試験の結果を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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